Nghiên cứu, đánh giá và giải pháp giảm ảnh hưởng của sóng hài đối với một số phụ tải công nghiệp

Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong công ngiệp gây méo dạng dòng điện của hệ thống điện.. Lớp CH2016A-KTĐ Trang 13 Mạch lọc tích cực được ứng dụng lọc

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS LÊ VIỆT TIẾN

Hà Nội – Năm 2019

Trang 2

Lớp CH2016A-KTĐ Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi nghiên cứu, tính toán và phân tích Số liệu đưa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi, không sao chép của ai hay số liệu đã được công bố Nếu sai với lời cam kết trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Tác giả luận văn

Phạm Ngọc Sơn

Trang 3

LỜI MỞ ĐẦU

Sóng hài là dạng nhiễu không mong muốn, gây ra rất nhiều vấn đề cho hệ thống điện Nguyên nhân sinh ra sóng hài là do tính chất phi tuyến của tải Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong công ngiệp gây méo dạng dòng điện của hệ thống điện Để giảm sóng hài phương pháp tiên tiến hiện nay là dùng bộ lọc tích cực Kết quả nghiên cứu nghiên cứu đã được mô phỏng, kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink

Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy

giáo TS Lê Việt Tiến cùng các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện –

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và có những đóng góp quý báu cho bản luận văn

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI MỞ ĐẦU 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

CHƯƠNG ITỔNG QUAN 12

CHƯƠNG IISÓNG HÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 15

2.1 Sóng hài 15

2.1.1 Các khái niệm về sóng hài 15

2.1.2 Ảnh hưởng của sóng hài 17

2.1.3 Giới hạn và tiêu chuẩn sóng hài 18

2.2 Các phương pháp lọc sóng hài 22

2.2.1 Bộ lọc thụ động (Passive Filter) 22

2.2.2 Bộ lọc chủ động (Active Filter) 24

2.3 Kết luận chương 2 28

CHƯƠNG IIIXÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠCH LỌC……….29

3.1 Mô hình toán mạch lọc 29

3.1.1 Sơ đồ mạch lọc 29

3.1.2 Các phép toán biến đổi điều khiển 29

3.1.3 Dòng điện hiệu dụng đưa vào trong điều khiển 33

3.2 Mô hình mạch lọc 3 pha 4 dây nguồn cân bằng trong Matlab Simulink 37

3.3 Mô hình mạch lọc 3 pha 4 dây nguồn không cân bằng trong Matlab Simulink 48

CHƯƠNG IVKẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ỨNG DỤNG CHO LƯỚI THỰC TẾ 52 4.1 Các loại tải 52

4.2 Khảo sát sự làm việc của hệ thống 3 pha 4 dây nguồn cân bằng 54

4.3 Áp dụng vào lưới điện thực tế (Lưới Vĩnh Phúc) 70

CHƯƠNG VKẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

5.1 Kết luận 87

Trang 5

Lớp CH2016A-KTĐ Trang 5 5.2 Kiến nghị 87TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

Trang 6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Trang 7

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn về sai lệch điện áp IEEE 519-1992 19

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn về sai lệch yêu cầu IEEE 519-1992 19

Bảng 2.3 Sóng hài bậc lẻ 20

Bảng 2.4 Sóng hài bậc chẳn 20

Bảng 2.5 Hệ số sóng hài dòng điện 20

Bảng 2.6 Các giới hạn độ méo dạng hài dòng điện trong các hệ thống phân phối (120 V – 69 kV) 21

Bảng 2.7 Các giới hạn độ méo dạng hài điện áp 21

Trang 8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Thành phần cơ bản và các sóng hài 15

Hình 2.2 Phổ của sóng hài 16

Hình 2.3 Bộ lọc RC 23

Hình 2.4 Bộ lọc LC 23

Hình 2.5 Cấu trúc bộ lọc tích cực VSI 25

Hình 2.6 Cấu trúc bộ lọc tích cực CSI 25

Hình 2.7 Bộ lọc tích cực song song 26

Hình 2.8 Bộ lọc tích cực nối tiếp 26

Hình 2.9 Bộ lọc tích cực ba dây 27

Hình 2.10 Bộ lọc tích cực bốn dây 27

Hình 3.1 Sơ đồ mạch lọc 29

Hình 3.2 Mô hình toán học của mạch lọc 30

Hình 3.3 Ngõ vào và ra của bộ PI 32

Hình 3.4 Cách tính dòng điều khiển 34

Hình 3.5 Điều khiển dòng kiểu Hyteresis 35

Hình 3.7: Sơ đồ khối của mạch lọc 37

Hình 3.8: nguồn 3 pha 4 dây cân bằng 38

Hình 3.9: Sơ đồ đo dòng điện nguồn 39

Hình 3.10: Sơ đồ đo dòng điện tải 39

Hình 3.11: Tải phi tuyến không cân bằng 40

Hình 3.12: Khối đo dòng điện phát 41

Hình 3.13: Bộ nghịch lưu 3 pha 41

Hình 3.14: Sơ đồ khối biến đổi trục tọa độ từ abc sang 0 42

Hình 3.15: Sơ đồ khối biến đổi trục tọa độ từ iS_abc sang iS_0 42

Hình 3.16: Sơ đồ khối biến đổi trục tọa độ từ vS_abc sang vS_0 42

Hình 3.17: Sơ đồ khối biến đổi trục tọa độ từ iL_abc sang iL_0 43

Hình 3.18: Sơ đồ khối tính công suất tải 43

Hình 3.19: Sơ đồ khối tính công suất nguồn 44

Hình 3.20: Sơ đồ khối lọc công suất tải và đưa lượng Ploss vào điều khiển 45

Hình 3.21: Khối biến đổi từ 0 sang abc 45

Hình 3.22: Sơ đồ khối hiệu chỉnh dòng điện điều khiển 46

Trang 9

Hình 3.23: Sơ đồ khối đo lường 47

Hình 3.24: Sơ đồ khối đo THD 47

Hình 3.25: Mô hình tổng thể của mạch lọc nguồn 3 pha không cân bằng 48

Hình 3.26: Mô hình nguồn 3 pha không cân bằng 49

Hình 3.27: Khối phát hiện điện áp thứ tự thuận 50

Hình 3.28: Sơ đồ khối biến đổi trục tọa độ từ v_abc sang v_0 50

Hình 3.29: Sơ đồ khối tính P và Q tải 51

Hình 4.1 Tải loại 1 52

Hình 4.5 Điện áp nguồn 54

Hình 4.6 Dòng điện tải 55

Hình 4.7 Dòng điện nguồn pha A, B, C 55

Hình 4.8 Dòng điện trung tính nguồn 55

Hình 4.9 Công suất P và Q tải 56

Hình 4.10 Công suất P và Q nguồn 56

Hình 4.11 THD tải 56

Hình 4.12 THD nguồn 57

Hình 4.13 Hệ số công suất tải 57

Hình 4.14 Hệ số công suất nguồn 57

Hình 4.17 Dòng điện nguồn pha ABC 59

Hình 4.19 P và Q tải 59

Hình 4.20 P và Q nguồn 60

Hình 4.27 Dòng điện nguồn pha A, pha B, pha C 63

Trang 10

Hình 4.28 Dòng điện nguồn trên dây N 63

Hình 4.45 Mô hình lưới điện cấp nguồn cho nút Nghĩa Hưng 5 70

Hình 4.46 Mô hình tổng thể mạch lọc sau cho nút Nghĩa Hưng 5 71

Hình 4.55 Công suất tải 74

Hình 4.56 Công suất nguồn 75

Trang 11

Hình 4.69 Dòng điện nguồn ABC 79

Hình 4.70 Dòng điện nguồn trung tính 80

Hình 4.79 Dòng điện nguồn ABC 83

Hình 4.80 Dòng điện nguồn trung tính 83

Trang 12

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Điện năng là nguồn năng lượng chủ yếu trên toàn Thế Giới, Việt Nam cũng đang từng bước đưa nguồn năng lượng này tới các vùng sâu vùng xa… Đây là nguồn năng lượng chủ yếu cho sinh hoạt gia đình và trong công nghiệp sản xuất Điện năng được truyền tải phân phối khắp mọi nơi từ thành phố đến nông thôn, điện năng được hòa đồng bộ từ bắc tới nam Cuộc sống xã hội phát triển con người sử dụng chủ yếu nguồn năng lượng này trong mọi lĩnh vực kinh tế xã hội, sinh hoạt gia đình và vui chơi giải trí, đặc biệt là kỷ thuật điện tử ngày càng phát triển mạnh, nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao Cho nên điện năng ngày càng được chú ý phát

triển và phải đảm bảo chất lượng nguồn cung cấp

Chất lượng điện năng ở đây là phải cung cấp liên tục và đảm bảo về điện áp, tần số và dạng sóng Ở Việt Nam tất cả các thiết bị sử dụng 1 pha có điện áp 220V tần số 50Hz, thiết bị điện công nghiệp 3 pha điện áp dây là 380V tần số 50Hz, dạng

nhiễu là việc làm cần thiết

Trên thực tế có nhiều dạng bù nhiễu khác nhau, chủ yếu là bù công suất phản kháng đã bị mất đi, có thể là bộ tụ bù lọc nhiễu bù nền hay ứng động với dung lượng bù được điều khiển qua đồng hồ đo công suất Thông qua việc nghiên cứu, so sánh và đánh giá ưu, nhược điểm của từng phương pháp bù nhiễu, đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp mạch lọc tích cực Với công cụ mô phỏng Matlab/Simulink, đề tài đã thực hiện mô phỏng kiểm chứng cũng như áp dụng vào

mô hình lưới điện thực tế

Trang 13

Mạch lọc tích cực được ứng dụng lọc nhiễu dòng điện, điều khiển bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất Điện lực Việt Nam cũng mong muốn các nhà máy xí nghiệp có lọc tích cực để ổn định hệ thống nguồn điện cung cấp, cho nên giá trị tiền điện cũng dựa trên hệ số công suất và phạt những xí nghiệp có tải bất

ổn định (tải phi tuyến) Ứng dụng mạch lọc tính cực trên hệ thống điện là việc làm

cần thiết để ổn định hệ thống nguồn điện cung cấp trong giai đoạn hiện nay

1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Tính cấp thiết của đề tài:

Ngày nay vấn đề lọc nhiễu đang được quan tâm rất nhiều trong các nhà máy xí nghiệp, mục đích để làm giảm sóng hài dòng trong hệ thống nguồn điện cung cấp Việc làm này có ý nghĩa nâng cao chất lượng điện năng nguồn cung cấp, nâng cao

hệ số công suất nguồn và làm giảm giá thành tiền điện, góp phần cho các thiết bị điện và điện tử có độ nhạy cao tác động chính xác hơn và dứt khoát

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Bài luận văn này trình bày việc làm giảm sóng hài bằng mạch lọc tích cực song song điều khiển bằng phương pháp PI Thông qua các kết quả đạt được sau khi ứng dụng mạch lọc, áp dụng vào lưới điện thực tế để kiểm chứng Kết quả được mô

Đối tượng nghiên cứu: là nguồn điện, tải, mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây,

dùng phương pháp PI để điều khiển

Trang 14

Nội dung của luận văn được chia làm 5 chương:

• Chương I: Tổng quan

• Chương II: Sóng hài và các phương pháp lọc sóng hài

• Chương III: Xây dựng mô hình mạch lọc

• Chương IV: Kết quả mô phỏng và áp dụng vào lưới điện thực tế

• Chương V: Kết luận và kiến nghị

Trang 15

CHƯƠNG II SÓNG HÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 2.1 Sóng hài

2.1.1 Các khái niệm về sóng hài

Điện áp được phát ra từ các nhà máy phát điện có dạng hình sin chuẩn, nhưng

do quá trình truyền tải đến nơi tiêu thụ, thiết bị tiêu thụ điện là tải phi tuyến làm cho dạng sóng nguồn dòng điện bị méo dạng không còn hình sin chuẩn Đối với dòng điện khi bị méo dạng là do sóng hài dòng điện gây ra có thể gây quá tải dòng điện nguồn phát

Thành phần hài: Sóng hài có dạng hình sin với tần số là bội số của tần số sóng

cơ bản, biên độ sóng hài nhỏ hơn biên độ thành phần cơ bản

Trang 16

➢ 𝑓𝑛 là tần số hài bậc n

Với bậc hài càng lớn biên độ hài càng giảm

Phổ: Là dãy biên độ của các bậc hài (Hình 2.2)

Hình 2.2 Phổ của sóng hài

Biểu diễn dạng sóng nhiễu: Sử dụng chuỗi Fourier với chu kỳ T - seconds và tần số cơ bản f=1/T Hz, hoặc ω=2πf rad/s, có thể biểu diễn một sóng hài f(t) với biểu thức sau:

0 1

➢ Hn là giá trị hiệu dụng của hài bậc n

➢ n là góc pha của hài bậc n

Trang 17

2 2 1

n n n

H THD

n n n n n n

H THD

2.1.2 Ảnh hưởng của sóng hài

Sóng hài làm tăng dòng điện trong hệ thống, sóng hài bậc 3 làm tăng dòng điện thứ tự 0, tăng dòng ở trung tính, ngoài việc tăng dòng điện tải, các thành phần khác trong lưới điện cũng bị ảnh hưởng từ sóng hài Ngoài việc gây méo dạng điện

áp và dòng điện còn gây ra các tác hại khác, dòng điện hài có tần số hài cao hơn tần

số cơ bản gây ra trở kháng cao và khả năng lan truyền cao hơn dòng cơ bản, gây phát nhiệt

Hài điện áp có thể gây nhiễu đối với các thiết bị điện tử làm việc không chính

xác, gây ra sai số trong đo lường cảm ứng điện

Các bộ thu tín hiệu như là những relay sử dụng để điều khiển đóng cắt các thiết bị của hộ tiêu thụ từ trung tâm điều khiển, có thể tác động nhầm do sóng hài

điện áp có tần số gần với tần số điều khiển

Lực điện động phát sinh do dòng tức thời của sóng hài sẽ gây ra dao động và phát ra tiếng ồn đối với các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị điện từ như

MBA, cuộn kháng

Đối với các thiết bị điện tử viễn thông và các mạch điều khiển điện tử sẽ bị nhiễu và không ổn định khi các mạch điều khiển này cùng làm việc song hành với các mạch tải có mang dòng hài Cấp độ nhiễu tín hiệu phụ thuộc vào khoảng cách

và tần số sóng hài

Sóng hài gây ra phát nóng của tụ điện do hiện tượng từ trễ trong chất điện môi Các bộ tụ sẽ bị hư hỏng do quá tải, do tần số sóng hài vượt quá tần số cơ bản hoặc

Trang 18

Trong các nhà máy xí nghiệp lớn chủ yếu là các động cơ điện:

✓ Đối với động cơ điện đồng bộ dòng điện nhiễu cho phép là từ 1,3% đến 1,4%

✓ Đối với động cơ điện không đồng bộ dòng điện nhiễu cho phép là từ 1,5% đến 3,5%

✓ Đối với cáp dẫn điện điện áp nhiễu với lõi cách điện cho phép là từ

10%

2.1.3.2 Tiêu chuẩn sóng hài

Theo tiêu chuẩn IEEE 519-92 của Mỹ đề ra để đảm bảo chất lượng cho mạng điện lưới nguồn, phải có trách nhiệm duy trì là:

Trang 19

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn về sai lệch yêu cầu IEEE 519-1992

➢ ISC: Dòng điện ngắn mạch lớn nhất tại điểm nối

➢ IL: Dòng điện tải lớn nhất tại tần số cơ bản

Các hộ sử dụng điện hạn chế thành phần sóng hài nhỏ hơn 5% Trong đó sóng hài thứ 11 nhỏ hơn 4%, sóng hài 11-17 nhỏ hơn 2%, sóng hài 17-23 nhỏ hơn 1.5% Điện lực quốc tế IEC đề ra tiêu chuẩn IEE 100-3-2 “Hạn chế sóng hài với thiết

bị nối vào mạng hạ áp” tiêu chuẩn dòng điện nhỏ hơn 16A Các chỉ tiêu hạn chế dòng điện sóng hài

Trang 20

Đối với nhiều thiết bị cùng đặt trong một hệ thống thì nên đưa vào trong một chỉnh thể Hệ số sóng hài dòng điện cho theo bảng sau:

Tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 đưa ra các mức hài điện áp tương thích đối với nhiễu dẫn tần số thấp và tạo tín hiệu trong hệ thống cung cấp điện hạ áp công cộng Tiêu chuẩn IEC 61000-2-4 đưa ra các mức hài điện áp tương thích trong khu công nghiệp đối với nhiễu dẫn tần số thấp

Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 được trình bày ở Bảng 2.1 và Bảng 2.2, đưa ra các

Trang 21

giới hạn hài dòng điện và hài điện áp trong các hệ thống điện

Bảng 2.6 Các giới hạn độ méo dạng hài dòng điện trong các hệ thống phân

Trang 22

2.2 Các phương pháp lọc sóng hài

Để nâng cao chất lượng điện năng thì việc áp dụng các tiêu chuẩn giới hạn sóng hài là vấn đề tất yếu, nhưng làm thế nào để chúng ta đưa sóng hài nằm trong giới hạn cho phép đó chính là việc phải sử dụng các bộ lọc sóng hài Bộ lọc là thiết bị tạo ra đặc tuyến tần số định trước mà chức năng của nó là cho một số tần số

đi qua nhất định đồng thời loại bỏ những tần số khác

Các bộ lọc song hài được sử dụng phổ biến hiện nay là:

cả hai loại bộ lọc này đều có tụ điện, tụ điện có thể mắc hình tam giác hoặc hình sao Khi mắc tụ điện hình tam giác có ưu điểm là tiết kiệm dung lượng tụ, song không loại trừ được hết sóng điều hòa điện áp dây Bộ tụ đấu hình sao có dung lượng tụ tăng lên 3 lần nhưng loại được sóng điều hòa cả điện áp dây và điện áp pha

và đặc biệt khi tụ đấu sao có trung tính thì có thể loại luôn cả điện áp thứ tự không sinh ra bởi sự chuyển mạch van bán dẫn Các loại lọc được sử dụng phổ biến như:

Trang 24

Khi ở đầu thấp của dải âm tần các trị số điện cảm tăng khi tần số cần thiết lọc giảm gây một số vấn đề như:

− Do cuộn cảm là thiết bị có tổn hao bên trong bản thân nó

− Tăng rõ rệt khi cần điện cảm rất lớn cho tần số thấp Độ hao này làm suy giảm đáng kể hệ số phẩm chất đối với mỗi cuộn dây và đặc tuyến lọc bị lệch

đi nhiều so với dạng cần thiết

− Khi điện cảm cuộn dây lớn thì làm tăng kích thước của chúng dẫn đến làm tăng kích thước bộ lọc đồng thời làm tăng giá thành bộ lọc

❖ Vai trò của bộ lọc tích cực

❑ Bù sóng điều hòa điện áp

Bù điện áp thường không được chú ý nhiều trong hệ thống điện vì điện áp tiêu thụ tại điểm đấu dây chung thường duy trì trong phạm vi giới hạn cơ bản đối với các sự cố tăng hoặc giảm áp Vấn đề bù điện áp chỉ được xem xét đến khi tải nhạy với sự xuất hiện sóng điều hòa điện áp bậc cao trong lưới nguồn như các thiết

bị bảo vệ hệ thống điện

❑ Bù sóng điều hòa dòng điện

Bù sóng điều hòa dòng điện có ý nghĩa quan trọng đối với các tải có công suất vừa và nhỏ Việc giảm thành phần sóng điều hòa dòng điện trong lưới còn có tác dụng giảm độ méo dạng điện áp tại điểm đấu dây chung

❑ Bù công suất

Bộ lọc tích cực ngoài chức năng lọc có thể thêm chức năng bù công suất phản kháng, tuy nhiên khi thêm chức năng bù công suất phản kháng thì mạch điều khiển sẽ rất phức tạp, bị hạn chế về công suất Do đó thường kết hợp chức năng bù công suất phản kháng và lọc sóng điều hòa ở dải công suất nhỏ, ở dải công suất lớn

Trang 25

❑ Phân loại theo bộ biến đổi công suất:

Căn cứ vào bộ biến đổi công suất trong bộ lọc ta c hai loại bộ lọc tích cực: cấu trúc bộ biến đổi nguồn áp VSI (Voltage Source Inverter) và bộ biến đổi nguồn dòng CSI (Curent Source Inverter)

Trang 26

Đặc điểm của bộ lọc CSI là có tần số đóng cắt hạn chế, tổn hao đóng cắt lớn, không thể mở rộng ra cấu trúc đa bậc

❑ Phân loại theo sơ đồ:

Phân loại theo sơ đồ ta có bộ lọc tích cực song song AF, bộ lọc tích cực nối tiếp AFs và bộ lọc tích cực thống nhất UPQC

• Bộ lọc tích cực song song (Shunt Active Filter – AF)

Trang 27

Căn cứ vào nguồn cung cấp cho tải mà bộ lọc tích cực đấu vào mà người ta chia ra:

• Bộ lọc tích cực hai dây: dùng cho tải phi tuyến một pha

• Bộ lọc tích cực ba dây: dùng cho tải phi tuyến ba pha không có trung tính

Hình 2.9 Bộ lọc tích cực ba dây

• Bộ lọc tích cực bốn dây:

Bộ lọc tích cực bốn dây c thể dùng cho tải phi tuyến một pha cấp nguồn từ

hệ thống nguồn cấp bốn dây (có thêm dây trung tính) hoặc dùng cho tải phi tuyến ba pha có dây trung tính Trong hệ này bộ lọc sẽ loại bỏ sự quá dòng ở dây trung tính

Hình 2.10 Bộ lọc tích cực bốn dây

Trang 28

2.3 Kết luận chương 2

Trong chương này đề tài đi tìm hiểu về tổng quan về sóng hài, nguyên nhân, tác hại và các tiêu chuẩn giới hạn sóng hài quốc tế mà Việt Nam được áp dụng Từ các bộ tiêu chuẩn, bài toán được đặt ra cho việc thiết kế bộ lọc có đặc tính kĩ thuật tốt, đáp ứng được các yêu cầu về giới hạn sóng hài

Luận văn đi vào phân tích, so sánh việc sử dụng các bộ lọc để loại bỏ nhiễu trong lưới điện cung cấp Các đánh giá so sánh cho thấy rằng, việc sử dụng bộ lọc thụ động còn nhiều hạn chế, độ tin cậy chưa cao, khả năng chọn lọc kém Trong khi

đó, bộ lọc tích cực đem lại các kết quả khả quan,ổn định, linh hoạt hơn đáp ứng được nhiều loại tải và nguồn cấp khác nhau trong lưới điện công nghiệp Trên cơ sở

đó, luận văn sẽ sử dụng phương pháp lọc tích cực (AF) làm cơ sở nghiên cứu và phân tích

Trang 29

CHƯƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠCH LỌC VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Mô hình toán mạch lọc

S5

N S4

Nguồn 3 pha 4 dây đấu hình sao

Tải phi tuyến

Mạch lọc tích cực 3 pha 4 dây được gắn trước tải phi tuyến

3.1.2 Các phép toán biến đổi điều khiển

Dựa trên lý thuyết mạch điện và các phép biến đổi ta xây dựng mô hình toán học cho mạch lọc tích cực như sau:

Trang 30

abc αβ0 Va

Vc

Vb

abc αβ0 ia

ic

ib

Vα

V0 Vβ

iα

i0 iβ

Tính

P Q P0

LPF

P0

+ - P

P Tính Dòng Yêu cầu Q

Icβ i0

Ica Icb Icc P0

P

Hình 3.2 Mô hình toán học của mạch lọc

Phép biến đổi Clarke cho các điện áp 3 pha tức thời trong hệ trục tọa độ như sau:

+ Các tín hiệu điện áp tải va, vb, vc và dòng điện tải ia, ib, ic được chuyển sang

hệ trục tọa độ 0 để tính toán Sau đó chuyển ngược về hệ trục tọa độ abc để trở thành dòng điện yêu cầu của mạch lọc

+ Các điện áp tải được chuyển trục tọa độ theo biểu thức chuyển đổi Clarke:

Trang 31

Từ công thức (3.5) khai triển ra:

[

p0p

p0 = v0 i0 (3.10)

p = vα iα+ vβ iβ (3.11)

q = vβiα− vα iβ (3.12) Thành phần p qua mạch lọc thông thấp thành phần cơ bản được giữ lại thành phần ngõ ra sau khi lọc p̅

p − p̅ = p̃ (3.13) Thành phần p0 qua mạch lọc thông thấp thành phần cơ bản được giữ lại thành phần ngõ ra sau khi lọc p̅̅̅ 0

Trang 32

pref = −p̃ + p̅̅̅ + p0 loss (3.14) Thành phần ploss là thành phần tổn thất cần phải thêm vào để điều khiển

Vdc

Vref

PI

Ploss +

-Hình 3.3 Ngõ vào và ra của bộ PI

Vdc là giá trị điện áp đo được trên tụ điện của mạch nghịch lưu

Vref là giá trị điện áp đặt

Thông qua khâu PI để điều khiển sao cho “sai số=Vref-Vdc” có giá trị là thấp nhất

Dòng điện yêu cầu của mạch lọc trong hệ trục tọa độ 0 được xác định:

Trang 33

Từ công thức (3.17) khai triển ra:

3.1.3 Dòng điện hiệu dụng đưa vào trong điều khiển

Dòng điện sau khi ra khỏi mô hình tính toán chính là dòng điện hài của tải Muốn có dòng điện điều khiển phải lấy dòng điện này trừ đi dòng điện phát của mạch lọc, thì đó mới chính là dòng điện hiệu dụng khi điều khiển

Iđka = −(iCa∗ − ifa) (3.21)

Iđkb = −(iCb∗ − ifb) (3.22)

Iđkc = −(iCc∗ − ifc) (3.23)

Iđkn = −(iCn∗ − ifn) (3.24) Dòng điện iCn∗ không cần tính mà suy ra từ những dòng điện trên

iCn∗ = −(iCa∗ + iCb∗ + iCc∗ ) (3.25) Nên dòng:

Iđkn = −[−(iCa∗ + iCb∗ + iCc∗ ) − ifn] (3.26)

Trang 34

+ -

Ica

IFa

+ -

Icb

IFb

+ -

Dòng điều khiển này sẽ là dòng điện trực tiếp điều khiển bộ nghịch lưu

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều khiển các bộ nghịch lưu nguồn áp Tuy nhiên phương pháp điều khiển nguồn dòng phổ biến nhất hiện nay là phương pháp hysteresis (phương pháp bang bang)

Dòng điện điều khiển là dòng điện hiệu dụng sau khi đã tính toán hài dòng cần

bù trừ đi dòng điện phát, cuối cùng đưa ra dòng điện điều khiển

Dòng điều khiển pha A Iđka sẽ qua Relay để biến thành dòng điều khiển có giá trị là 0 hoặc 1 để đưa vào điều khiển, S1 và S5 trong cùng 1 pha sẽ hoạt động theo quy tắc đối nghịch, tức là S1 đóng thì S5 mở và ngược lại, nên trước khi vào điều khiển S5 phải qua cổng NOT

Trang 35

Not

S2

S6 Hyteresis

Iđkc

Not

S3

S7 Hyteresis

Iđkn

Not

S4

S8 Hyteresis

Hình 3.5 Điều khiển dòng kiểu Hyteresis

Tương tự cho dòng điều khiển pha B, C, N như hình 3.5

C

A

B

C S1

S5

N S4

S8

Hình 3.6 Nghịch lưu 3 pha 4 dây gồm 8 IGBT

Hình 3.6 là sơ đồ mạch lọc gồm 8 IGBT được mắc như hình vẽ, mỗi pha là 2 IGBT, nghịch lưu cả hai bán kỳ âm và dương

Xét dạng sóng dòng điện tại một chân của bộ nghịch lưu, giả sử tại chân A Tại thời điểm khóa S1 đóng và S5 mở, lúc này dòng điện Ifa tăng lên, điện áp tại A

sẽ là +Vdc, làm cho dòng điện Ifa trên mạch tăng lên Khi Ifa vượt qua giá trị iCa∗

Trang 36

mong muốn thì khóa S1 mở và S5 đóng, lúc này điện thế tại điểm A sẽ bằng không, khi đó dòng điện Ifa trên mạch sẽ giảm dần Khi dòng điện Ifa giảm xuống dưới giá trị iCa∗ thì sẽ có sự chuyển mạch xảy ra: Khóa S1 đóng lại và S5 mở ra, lúc này dòng điện Ifa sẽ tăng trở lại Như vậy quá trình thay đổi dòng điện lại tiếp tục và dòng điện bơm ra từ bộ nghịch lưu sẽ bù dòng điện hài mong muốn

Giải thuật điều khiển bang bang tại mỗi cặp chân của mỗi pha trong bộ nghịch lưu biễu diễn dạng sóng dòng điện mong muốn và dạng sóng dòng điện bơm ra từ

bộ nghịch lưu trong một bán kì dương Tại bán kì âm thì quá trình cũng diễn ra tương tự như bán kì dương

Giải thuật điều khiển bang bang trên một nhánh của bộ nghịch lưu

Qua việc khảo sát nguyên tắc điều khiển của phương pháp bang bang ta có thể rút ra được nhận xét về ưu và nhược điểm của phương pháp này như sau:

❖ Ưu điểm:

Khả năng đáp ứng động rất tốt: phương pháp này đóng mở các chuyển mạch công suất dựa trên sự thay đổi của giá trị dòng điện đưa ra từ bộ nghịch lưu, giá trị dòng điện này thay đổi rất nhanh Điều này dẫn đến việc thay đổi giá dòng điện muốn bơm vào lưới cũng có thể thay đổi rất nhanh mà dòng điện bơm ra từ bộ nghịch lưu vẫn bám theo rất nhanh

Giá thành thực hiện thấp và thuận tiện trong việc thi công mạch: mạch điện hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh hai giá trị dòng điện nên giải thuật điều khiển khá đơn giản, không yêu cầu các thuật toán phức tạp nên chi phí cho bộ điều khiển khá thấp so với các phương pháp khác Hơn nữa trong mạch chỉ cần một cảm biến dòng điện để đo điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu và một cảm biến điện áp để xác định điện áp lưới điện từ đó xác định công suất bơm ra từ bộ nghịch lưu nên chi phí cho các thiết bị cảm biến sẽ giảm đi rất nhiều Điều này góp phần giảm giá thành sản xuất Việc giải thuật điều khiển đơn giản cũng góp phần làm cho việc thi công thêm thuận tiện

Trang 37

3.2 Mô hình mạch lọc 3 pha 4 dây nguồn cân bằng trong Matlab Simulink

Trong mô hình tổng thể gồm có các mô hình con như sau:

Mô hình nguồn 3 pha 4 dây (3 dây pha và 1 dây trung tính)

Mô hình tải phi tuyến

Mô hình mạch lọc (mạch nghịch lưu 3 pha 4 dây)

tai phi tuyen

a

b

c n

do dong dien phat

iS_abcn a b c n

a b c

A B C

a b c

A B C

CONTROLLER

vS_abc

a b c n

3 pha 4 day

can bang

Trang 38

3.2.1 Nguồn 3 pha 4 dây

Nguồn xoay chiều 3 pha 4 dây đấu hình sao, vS_abc là giá trị điện áp đo được của từng pha so với dây trung tính n

Hình 3.8: nguồn 3 pha 4 dây cân bằng

Giá trị Va được chỉnh định: có điện áp pha đỉnh là 220√2 V, góc lệch pha 00, tần số 50Hz

Giá trị Vb được chỉnh định: có điện áp pha đỉnh là 220√2 V, góc lệch pha

2400, tần số 50Hz

Giá trị Vc được chỉnh định: có điện áp pha đỉnh là 220√2 V, góc lệch pha

1200, tần số 50Hz

1 vS_abc

4 n

3 c

2 b

1 a

v + -

Vc Vb Va

vS_abc

Trang 39

3.2.2 Đo dòng điện nguồn

Đo dòng điện từng pha và dòng điện dây trung tính

Hình 3.9: Sơ đồ đo dòng điện nguồn

iS_abcn là dòng điện nguồn của pha abc và trung tính n

3.2.3 Đo dòng điện tải

Tương tự như đo dòng điện nguồn

Hình 3.10: Sơ đồ đo dòng điện tải

iL_abcn là dòng điện tải của pha abc và trung tính n

1 iS_abcn

3 c

2 b

1 a

iS_abcn

i + -

1 iL_abcn

3 c

2 b

1 a

iL_abcn i

+

-i + -

i + - i + -

Trang 40

3.2.4 Tải phi tuyến không cân bằng

Tải phi tuyến không cân bằng gồm bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn và bộ chỉnh lưu cầu 1 pha diode được đấu vào pha a

Bộ tạo xung đồng bộ có chức năng tạo xung kích cho bộ chỉnh lưu cầu 3 pha theo giá trị góc kích yêu cầu Ngõ vào của bộ tạo xung là các tín hiệu như sau: Ngõ vào alpha_deg: thay đổi góc kích bộ chỉnh lưu cầu 3 pha và được điều khiển bởi khâu alpha với các tham số

Các ngõ vào điện áp đồng bộ VAB, VBC, VCA

Hình 3.11: Tải phi tuyến không cân bằng

3.2.5 CB đóng mạch lọc

Gồm 2 CB : 1 CB 3 cực và 1 CB 1 cực, thời gian đóng là sau 0,04s

3.2.6 Khối đo dòng điện phát

Khối đo dòng điện phát dùng để đo dòng điện phát từ bộ nghịch lưu 3 pha 2 bậc

2mH

30 5mH

v + -

alpha_deg AB BC CA Block

pulses

Synchronized 6-Pulse Generator

Ia-Va Ia

I-V

i + -

0

g A B C

+

-3-Phase Bridge

A B + -

1-Phase Bridge

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	2,11 MB